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虚拟存储器

写在前面：虚拟存储器（Virtual Memory）是计算机系统中用于管理内存的一种技术，它通过虚拟地址空间为进程提供比物理内存更大的地址空间，同时实现内存保护和进程隔离。

在408整个体系中计组和操作系统都有涉及，但是我希望同学们在学习这部分知识的时候，一定要在学习操作系统的时候去学习，至少你要先搞清楚基本分页存储管理的思想，否则你是没办法深入理解虚拟存储器的，不理解原理就更不要谈做对题目了，我希望大家不要考记忆、熟练度去做题，而需要真正的尝试去理解它，掌握本质，才能以不变应万变。这也是我做这个“大观”视频的初衷。

基本分页存储管理

虚拟存储器的核心就是通过地址转换机制，将程序使用的虚拟地址映射到实际的物理内存地址，我们需要先理解基本分页存储管理的思想（这一块是操作系统内存管理的内容，是虚拟存储器的一种实现方式）。这里请和Cache与主存交换数据的方式类比学习，因为思想都是一样的，没有搞明白的Cache的原理的一定要去看一下我的Cache“大观”那个视频，我这里默认大家已经掌握了Cache的思想。那么我们进入正题。

引入：当一个程序被装入内存的时候不是把它整块装入一个连续的区域，那么是怎么分配的呢？先来基本原理涉及的概念，不懂原理不要做题！！这也是为什么我给基础概念三颗星的原因。

重要概念⭐⭐⭐

1）重要概念理解

1. 物理页面：物理内存划分为很多大小固定的存储块（类比Cache块）

2. 逻辑页面：把逻辑页面划分为大小相同的快，和物理页面是一样大的！！（因此我们才能以页面为单位来分配。我们再来回顾一下Cache，Cache块和主存块的大小也是一样大的）

3. 页与块：这里大家初学肯定会有这个疑惑，我们教材书一会说页，一会说块，到底怎么分辨？

   1. Cache块是Cache与主存之间交换信息的单位，大小一般为32B
   2. 页是主存与外存之间交换信息的单位，大小一般为4KB，也就是一个页包含了多个块！！

4. 逻辑地址的划分：请务必记住，逻辑地址被划分为两部分，高位部分为页号，低位部分为页内地址（这是我们做题的逻辑基点，同样的我们又要和Cache联系起来学习，还记得Cache映射的主存地址是怎么划分的吗？是不是也是把高位划分为主存块号，低位为块内地址！！）

5. 页表（在主存内）：每一个进程都有一个页表，我们把页表理解成一个大的数组，它的本质就是进行逻辑页号和物理页号之间的映射（一个逻辑页号对应一个物理页号），也就是我们把逻辑地址转成物理地址的必要工具（后面会详细讲解映射方法），请看王道教材的这个图：

   

   可以看出页表就是记录了逻辑页（虚页）和物理页之前的转换，从而可以定位到主存的页，没别的了！

地址映射（⭐⭐）

1）定义：所谓映射就是把虚拟地址映射成物理地址，分为以下步骤

• 给出一个逻辑地址，我们先通过上述逻辑地址划分方式，找到逻辑页面号与页内的偏移地址

• 我们拿到了逻辑页面号，就去查页表找到它的物理号（也有的教材叫页框号）

• 根据物理号与偏移地址拼起来，就得到了最终我们需要的物理地址

  

  怎么拼？如图所示，就是把页号写前面，页内地址（偏移量）写在后面，很简单！！

  这就是计算题的方法，理解了上面我说的，那么这类题目对于你来说就是洒洒水了。

2）具有快表（TLB）的变换

我们想一下，我们之前只有页表的时候，是不是必须要去访存，因为页表在内存里，那么我们是否可以扩展一下思路，把页表的内容存储在一个更快更牛逼的存储器里，因此我们的快表就应运而生了。

CPU就在Cache里去设置了一个高速存储器来存储页表的部分内容，TLB采用相联存储器组成，按照内容访问，速度极快！！（为什么是部分不是全部？毕竟他很快，那么他就要牺牲一些东西，也就变小了一些！）

有了TLB，我们就可以避免一次访存，而优先去快表中找到物理页号，从而大大减少了我们的访存时间、提高我们取出数据的效率！！

有了上面的知识，我们就能引出虚拟页式存储管理到底是个啥了！！！

虚拟页式存储管理

1）核心概念：虚拟页式存储管理就是在页式管理的基础上，增加了请求调页等一些功能！！这里大家就能明白了，为什么我要先将本应该在操作系统里学的知识了吧，没有页式存储管理的知识，你根本没法搞明白什么是虚拟存储管理！

2）核心操作：在程序运行过程中，如果我们CPU发出的指令想要访问的数据不在内存里面，我们就发出一个缺页中断请求，系统就把外存中的相应页面给调进入到内存，这就是请求调页！

3）有同学可能会问为什么会发生缺页？因为逻辑地址是远大于物理内存地址的（不然我们也没必要引出虚拟存储器了），那么带来的结果必然就是只能把部分常用的页面装入内存，而不能全部装进去，那就会出现缺页的场景了。

4）MMU：我们在做题的时候可能会碰到MMU这个概念，它的中文名叫做内存管理单元，是一个硬件！**它的主要功能就是把虚拟地址映射出物理地址。**如果页面不在内存里，MMU就发出一个缺页中断，让操作系统去处理这个缺页中断。至于一些太过于细节性的概念，比如页表项去判断页面是否在内存那些东西，就需要同学们自己去看一下基础课了，我的目的就是带大家串联知识，达到一个深入理解的效果，而这个目标是建立在你有基础的前提上的，还有对于Cache有问题的同学一定要去我主页看一下那个视频。

总结一下：CPU发出一个虚拟地址，首先由MMU进行虚拟地址到物理地址的转换（这期间可能会涉及缺页处理），然后再由处理Cache的硬件根据这个物理地址去访问（物理地址和Cache的映射），如果Cache中没有找到，就要进行Cache缺失的处理，然后去访存拿到数据。请看下图：

这张图就是总结了我上面所讲的所有东西了，好好理解清楚它，那么你对于带有虚拟存储器和Cache的系统就已经很透彻了，之后就是通过习题的训练来加深自己的理解。

题目讲解

视频跳转：【计组｜虚拟存储器】带你狠狠拿捏虚拟存储器，不再害怕408大题！